Применение биореакторов в ключевых направлениях биофармацевтического производства
Производство моноклональных антител: получение продукта из клеток CHO в биореакторах из нержавеющей стали и одноразовых биореакторах
Массовое производство моноклональных антител (мкАТ) зависит от биореакторов, в которых китайские хомячьи яичниковые (CHO) клетки выращиваются в промышленных масштабах. Система из нержавеющей стали способна выдерживать большие объёмы, тогда как одноразовые биореакторы упрощают проектирование и позволяют избежать трудоёмких этапов очистки и стерилизации, связанных с использованием биореакторов, что повышает скорость производства партий и снижает риски загрязнения до 40 %. Оба этих подхода обеспечивают высокочувствительную систему контроля подачи питательных веществ и удаления продуктов метаболизма, позволяя достичь плотности клеток свыше 20 миллионов клеток/мл и сохранять стабильное качество и воспроизводимость выхода антител. Биореакторы, производящие более 80 % терапевтических белков, полученных из CHO-клеток, в режиме постепенного (партинного) производства, обеспечивают и поддерживают критические параметры качества (CQA) и воспроизводимость получаемых терапевтических белков.
Производство вакцин и клеточной терапии: масштабирование вирусных векторов и биопроизводство аутологичных/аллогенных клеток
Биореакторы играют ключевую роль в производстве вирусных векторов, необходимых для разработки вакцин, и обеспечивают получение аденовирусов и лентивирусов с титрами свыше 10⁹ вирусных частиц на миллилитр. Кроме того, биореакторы позволяют осуществлять клеточную терапию, обеспечивая среду для культивирования и экспансии как аутологичных Т-лимфоцитов пациента, так и аллогенных «готовых к применению» клеточных линий при сохранении фенотипической стабильности и стабильности клеточного состояния. При разработке процессов и производстве традиционных линий CAR-T-клеток биореакторные системы обеспечивают получение отдельных партий стоимостью более 500 000 долларов США; при этом закрытая конструкция систем с контролем перфузии минимизирует риски перекрёстного загрязнения, обеспечивает точный контроль перфузии и позволяет легко расширять диапазон рабочих объёмов от 2 л до 2000 л, одновременно соответствуя требованиям FDA и cGMP по стерильности (уровень 300).
Выдвижные элементы управления и управление биореактором в реальном времени
pH, температура, растворённый кислород и перемешивание: роль каждого параметра в клеточной пролиферации и выходе продукта
Функционирование биореакторов можно оценить с помощью четырёх различных параметров: pH, температуры, растворённого кислорода (DO) и перемешивания. Для каждого из этих параметров установлены строго определённые допустимые диапазоны. Отклонения температуры более чем на ±0,5 °C от значения 37 °C могут резко снизить скорость роста клеток на 50 % и вызвать клеточный стресс. Смещение pH за пределы оптимального диапазона 7,2–7,4 может привести к потере жизнеспособности клеток более чем на 30 % вследствие метаболических сдвигов. Уровень DO должен поддерживаться в пределах 30–60 % насыщения. Неспособность достичь этого диапазона приводит к неконтролируемому состоянию гипоксии, которое может нарушить аэробный метаболизм; избыток DO, в свою очередь, может вызвать окислительный стресс и гибель клеток примерно на 25 %. Перемешивание обеспечивает однородность среды в биореакторе; однако чрезмерное перемешивание может привести к возникновению чрезмерного сдвигового напряжения и разрушению хрупких клеточных линий. Все четыре параметра напрямую влияют на качество терапевтических моноклональных антител, их гликозилирование и образование агрегатов. Для обеспечения соответствия стандартам Критических качественных характеристик (CQA) требуется исключительно высокая степень контроля над этими параметрами.
Обеспечение согласованности и соответствия руководящим принципам FDA в области химии, производства и контроля (CMC)
Биореакторы должны использовать современные системы управления для интеграции четырёх параметров — температуры, pH, концентрации растворённого кислорода (DO) и перемешивания — с заданными пределами контроля в заранее установленном диапазоне. Такой тип системы управления обеспечивает замкнутое управление следующими процессами:
Подача CO₂ для регулирования pH
Теплообменники для регулирования температуры
Смешивание газов для регулирования DO
Регулируемое перемешивание
Применение замкнутой системы управления обеспечивает согласованность работы биореакторов в рамках одной партии с вариабельностью менее 5 %, что подкрепляет стандартный набор требований CMC (химия, производство и контроль), установленный FDA. Интегрированные системы управления в биореакторах позволяют использовать системы регистрации данных, которые имеют решающее значение для соблюдения нормативных требований в биопроизводстве и обеспечивают прогнозирующую функцию системы управления. Системы управления дополнительно укрепляются метаболическими сигнатурами контроля, что снижает потери из-за отклонений на 40 % в системах производства, сертифицированных в соответствии с требованиями надлежащей производственной практики (GMP).
Выбор технологий и обеспечение стерильности в масштабируемых системах биореакторов
Системы, построенные с использованием технологий SIP/CIP, и поддержка/закрытый процесс для снижения риска загрязнения
Гарантия производителя на стерильный продукт начинается с обеспечения стерильности. Системы SIP и CIP, хотя и способны дезинфицировать биореакторы из нержавеющей стали, требуют значительных ресурсов и оставляют пространство для многочисленных ошибок. В недавнем сообщении Управления по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и лекарств (FDA) за 2023 г. загрязнение и отзыв продукции из-за загрязнения в биофармацевтической промышленности названы основной причиной отзывов биологических препаратов. В биофармацевтике парадигма «одноразовых биореакторов» в биопроцессинге, основанная на использовании гибких, предварительно стерилизованных и одноразовых пакетов, устраняет необходимость в SIP и CIP, одновременно сокращая время оборота и снижая риск перекрёстного загрязнения до 40 %. При использовании в сочетании с вспомогательной/закрытой обработкой, при которой пути движения жидкости герметизируются от момента инокуляции до момента сбора продукта, создаётся надёжный и безопасный барьер против загрязнения, не имеющий аналогов в отрасли. Ведущие производители в области биофармацевтики сообщили о сокращении числа неудачных партий на 90 % после внедрения интегрированных закрытых одноразовых систем.
Ключевые проблемы масштабирования биохимических реакторных процессов от лабораторной установки объёмом 2 л до производства в соответствии с требованиями GMP объёмом 20 000 л
Проблемы масштабирования биореакторных операций представляют собой сочетание биологических и инженерных вопросов, три из которых остаются основными:
1. Повреждение клеток под действием сдвиговых напряжений: при увеличении объёма жидкости и размеров сосуда усилия сдвига при перемешивании становятся более выраженными. Это может привести к повреждению клеток, чувствительных к сдвиговым напряжениям.
2. Перенос газа: без использования оптимизированных методов продувки или технологий массопередачи кислород не может диффундировать в биореактор при объёмах более 1000 л.
3. Инженерные параметры процесса: в объёме, обрабатываемом в биореакторе, возникают градиенты pH, температуры и других параметров. Эти параметры являются нестабильными и неравномерными.
Соблюдение требований FDA к химическим, производственным и контрольным (CMC) характеристикам на коммерческом масштабе: чем больше масштаб производства, тем сложнее выполнить требования по валидации.
Успешный процесс масштабирования требует глубокого понимания как параметров, так и, что наиболее важно, динамического поведения процесса, а не просто знания уставок. Использование перфузионных биореакторов позволяет поддерживать стабильную среду для культивирования клеток, содержащую необходимые клеткам питательные вещества, а также обеспечивает удаление метаболических отходов, образующихся в ходе жизнедеятельности клеток. Применение высокоточных систем датчиков даёт возможность вносить изменения в процесс в режиме реального времени автономным образом для контроля необходимых параметров.
В исследовании, проведённом в 2023 году Институтом Понемона, сообщалось, что средняя стоимость одного неудачного процесса масштабирования для производителя составляет 740 000 долларов США.
Другой важной проблемой при масштабировании работы биореакторов является то, что модульные одноразовые системы сохраняют ограничение по объёму, характерное для большинства биореакторных систем, — 2000 л. Для ультракрупномасштабных биореакторных операций (объёмом более 15 000 л) ведущими по-прежнему остаются системы из нержавеющей стали, несмотря на их ограничения и трудоёмкость выполнения требований к валидации паровой стерилизации.
Кратко:
Каковы преимущества одноразовых биореакторов по сравнению с биореакторами из нержавеющей стали?
Одноразовые биореакторы упрощают процесс сокращения времени перенастройки, минимизируют риски загрязнения и устраняют необходимость в мойке и стерилизации, сокращая время перенастройки до 40 %.
Какие критические параметры процесса биореактора оказывают влияние на работу биореакторов?
Для обеспечения качества продукта, а также скорости роста клеток и общего выхода критически важными параметрами процесса являются pH, температура, растворённый кислород и перемешивание. Точное управление всеми этими параметрами необходимо при производстве, например, для обеспечения требуемых качественных характеристик моноклональных антител.
Каково значение систем одноразовых биореакторов?
Системы одноразовых биореакторов в сочетании с закрытыми системами обработки обеспечивают наивысший уровень контроля стерильности — это наиболее важный аспект работы биореакторов, направленный на предотвращение загрязнения. Загрязнение является основной причиной отказов биореакторов и в конечном итоге приводит к несоответствию нормативным требованиям и отзыву продукции.